home *** CD-ROM | disk | FTP | other *** search
/ Danny Amor's Online Library / Danny Amor's Online Library - Volume 1.iso / html / faqs / faq / physics-faq / part2 < prev    next >
Encoding:
Text File  |  1995-07-25  |  73.0 KB  |  1,371 lines

  1. Subject: Sci.Physics Frequently Asked Questions (2/4) - Cosmology/Astrophysics
  2. Newsgroups: sci.physics,sci.physics.particle,alt.sci.physics.new-theories,news.answers,sci.answers,alt.answers
  3. From: sichase@csa2.lbl.gov (SCOTT I CHASE)
  4. Date: 1 Nov 1994 14:57 PST
  5.  
  6. Archive-name: physics-faq/part2
  7. Last-modified: 01-NOV-1994
  8.  
  9. --------------------------------------------------------------------------------
  10.                FREQUENTLY ASKED QUESTIONS ON SCI.PHYSICS - Part 2/4
  11. --------------------------------------------------------------------------------
  12. Item 6.
  13.  
  14. Gravitational Radiation                         updated 4-May-1992 by SIC
  15. -----------------------                         original by Scott I. Chase
  16.  
  17.     Gravitational Radiation is to gravity what light is to
  18. electromagnetism. It is produced when massive bodies accelerate.  You can
  19. accelerate any body so as to produce such radiation, but due to the feeble
  20. strength of gravity, it is entirely undetectable except when produced by
  21. intense astrophysical sources such as supernovae, collisions of black
  22. holes, etc.  These are quite far from us, typically, but they are so
  23. intense that they dwarf all possible laboratory sources of such radiation. 
  24.  
  25.     Gravitational waves have a polarization pattern that causes objects
  26. to expand in one direction, while contracting in the perpendicular
  27. direction. That is, they have spin two.  This is because gravity waves are
  28. fluctuations in the tensorial metric of space-time. 
  29.  
  30.     All oscillating radiation fields can be quantized, and in the case
  31. of gravity,  the intermediate boson is called the "graviton" in analogy
  32. with the photon. But quantum gravity is hard, for several reasons: 
  33.         (1) The quantum field theory of gravity is hard, because gauge 
  34. interactions of spin-two fields are not renormalizable.  See Cheng and Li,
  35. Gauge Theory of Elementary Particle Physics (search for "power counting").
  36.         (2) There are conceptual problems - what does it mean to quantize
  37. geometry, or space-time?
  38.  
  39.     It is possible to quantize weak fluctuations in the gravitational
  40. field.  This gives rise to the spin-2 graviton.  But full quantum gravity
  41. has so far escaped formulation.  It is not likely to look much like the
  42. other quantum field theories.  In addition, there are models of gravity
  43. which include additional bosons with different spins.  Some are the
  44. consequence of non-Einsteinian models, such as Brans-Dicke which has a
  45. spin-0 component. Others are included by hand, to give "fifth force"
  46. components to gravity. For example, if you want to add a weak repulsive
  47. short range component, you will need a massive spin-1 boson.  (Even-spin
  48. bosons always attract.  Odd-spin bosons can attract or repel.)  If
  49. antigravity is real, then this has implications for the boson spectrum as
  50. well. 
  51.  
  52.     The spin-two polarization provides the method of detection.  Most
  53. experiments to date use a "Weber bar."  This is a cylindrical, very
  54. massive, bar suspended  by fine wire, free to oscillate in response to a
  55. passing graviton.   A high-sensitivity, low noise, capacitive transducer
  56. can turn the oscillations of the bar into an electric signal for analysis. 
  57. So far such searches have failed.  But they are expected to be
  58. insufficiently sensitive for typical  radiation intensity from known types
  59. of sources. 
  60.  
  61.     A more sensitive technique uses very long baseline laser
  62. interferometry.  This is the principle of LIGO (Laser Interferometric
  63. Gravity wave Observatory).  This is a two-armed detector, with
  64. perpendicular laser beams each travelling several km before meeting to
  65. produce an interference pattern which fluctuates if a gravity wave distorts
  66. the geometry of the detector.  To eliminate noise from seismic effects as
  67. well as human noise sources, two detectors separated by hundreds to
  68. thousands of miles are necessary.  A coincidence measurement then provides
  69. evidence of gravitational radiation.  In order to determine the source of
  70. the signal, a third detector, far from either of the first two, would be
  71. necessary.  Timing differences in the arrival of the signal to the three
  72. detectors would allow triangulation of the angular position in the sky of
  73. the signal. 
  74.  
  75.     The first stage of LIGO, a two detector setup in the U.S., has been
  76. approved by Congress in 1992.  LIGO researchers have started designing a
  77. prototype detector, and are hoping to enroll another nation, probably in
  78. Europe, to fund and be host to the third detector. 
  79.  
  80.     The speed of gravitational radiation (C_gw) depends upon the
  81. specific model of Gravitation that you use.  There are quite a few
  82. competing models (all consistent with all experiments to date) including of
  83. course Einstein's but also Brans-Dicke and several families of others.  
  84. All metric models can support gravity waves.  But not all predict radiation
  85. travelling at C_gw = C_em.  (C_em is the speed of electromagnetic waves.)
  86.  
  87.     There is a class of theories with "prior geometry", in which, as I
  88. understand it, there is an additional metric which does not depend only on
  89. the local matter density.  In such theories, C_gw != C_em in general. 
  90.  
  91.     However, there is good evidence that C_gw is in fact at least
  92. almost C_em. We observe high energy cosmic rays in the 10^20-10^21 eV
  93. region.  Such particles are travelling at up to (1-10^-18)*C_em.  If C_gw <
  94. C_em, then particles with C_gw < v < C_em will radiate Cerenkov
  95. gravitational radiation into the vacuum, and decelerate from the back
  96. reaction.  So evidence of these very fast cosmic rays is good evidence that
  97. C_gw >= (1-10^-18)*C_em, very close indeed to C_em.  Bottom line: in a
  98. purely Einsteinian universe, C_gw = C_em. However, a class of models not
  99. yet ruled out experimentally does make other predictions.  
  100.  
  101.     A definitive test would be produced by LIGO in coincidence with
  102. optical measurements of some catastrophic event which generates enough
  103. gravitational radiation to be detected.  Then the "time of flight" of both
  104. gravitons and photons from the source to the Earth could be measured, and
  105. strict direct limits could be set on C_gw. 
  106.  
  107.     For more information, see Gravitational Radiation (NATO ASI - 
  108. Les Houches 1982), specifically the introductory essay by Kip Thorne.
  109.  
  110. ********************************************************************************
  111. Item 7.
  112.  
  113. IS ENERGY CONSERVED IN GENERAL RELATIVITY?            original by Michael Weiss
  114. ------------------------------------------                    and John Baez
  115.     
  116.     In special cases, yes.  In general--- it depends on what you mean
  117. by "energy", and what you mean by "conserved". 
  118.  
  119.     In flat spacetime (the backdrop for special relativity) you can
  120. phrase energy conservation in two ways: as a differential equation, or as
  121. an equation involving integrals (gory details below).  The two formulations
  122. are mathematically equivalent.  But when you try to generalize this to
  123. curved spacetimes (the arena for general relativity) this equivalence
  124. breaks down.  The differential form extends with nary a hiccup; not so the
  125. integral form. 
  126.     
  127.     The differential form says, loosely speaking, that no energy is
  128. created in any infinitesimal piece of spacetime.  The integral form says
  129. the same for a finite-sized piece.  (This may remind you of the
  130. "divergence" and "flux" forms of Gauss's law in electrostatics, or the
  131. equation of continuity in fluid dynamics.  Hold on to that thought!) 
  132.  
  133.     An infinitesimal piece of spacetime "looks flat", while the effects
  134. of curvature become evident in a finite piece.  (The same holds for curved
  135. surfaces in space, of course).  GR relates curvature to gravity.  Now, even
  136. in Newtonian physics, you must include gravitational potential energy to
  137. get energy conservation.  And GR introduces the new phenomenon of
  138. gravitational waves; perhaps these carry energy as well?  Perhaps we need
  139. to include gravitational energy in some fashion, to arrive at a law of
  140. energy conservation for finite pieces of spacetime? 
  141.  
  142.     Casting about for a mathematical expression of these ideas,
  143. physicists came up with something called an energy pseudo-tensor. (In fact,
  144. several of 'em!)  Now, GR takes pride in treating all coordinate systems
  145. equally.  Mathematicians invented tensors precisely to meet this sort of
  146. demand--- if a tensor equation holds in one coordinate system, it holds in
  147. all.  Pseudo-tensors are not tensors (surprise!), and this alone raises
  148. eyebrows in some circles. In GR, one must always guard against mistaking
  149. artifacts of a particular coordinate system for real physical effects. 
  150. (See the FAQ entry on black holes for some examples.) 
  151.  
  152.     These pseudo-tensors have some rather strange properties.  If you
  153. choose the "wrong" coordinates, they are non-zero even in flat empty
  154. spacetime.  By another choice of coordinates, they can be made zero at any
  155. chosen point, even in a spacetime full of gravitational radiation.  For
  156. these reasons, most physicists who work in general relativity do not
  157. believe the pseudo-tensors give a good *local* definition of energy
  158. density, although their integrals are sometimes useful as a measure of
  159. total energy. 
  160.  
  161.     One other complaint about the pseudo-tensors deserves mention. 
  162. Einstein argued that all energy has mass, and all mass acts
  163. gravitationally.  Does "gravitational energy" itself act as a source of
  164. gravity?  Now, the Einstein field equations are 
  165.  
  166.             G_{mu,nu} = 8pi T_{mu,nu}
  167.  
  168.     Here G_{mu,nu} is the Einstein curvature tensor, which encodes
  169. information about the curvature of spacetime, and T_{mu,nu} is the
  170. so-called stress-energy tensor, which we will meet again below.  T_{mu,nu}
  171. represents the energy due to matter and electromagnetic fields, but
  172. includes NO contribution from "gravitational energy".  So one can argue
  173. that "gravitational energy" does NOT act as a source of gravity.  On the
  174. other hand, the Einstein field equations are non-linear; this implies that
  175. gravitational waves interact with each other (unlike light waves in
  176. Maxwell's (linear) theory).  So one can argue that "gravitational energy"
  177. IS a source of gravity. 
  178.  
  179.     In certain special cases, energy conservation works out with fewer
  180. caveats. The two main examples are static spacetimes and asymptotically
  181. flat spacetimes. 
  182.  
  183.     Let's look at four examples before plunging deeper into the math.
  184. Three examples involve redshift, the other, gravitational radiation. 
  185.  
  186. (1) Very fast objects emitting light.
  187.  
  188.     According to *special* relativity, you will see light coming from a
  189. receding object as redshifted.  So if you, and someone moving with the
  190. source, both measure the light's energy, you'll get different answers. 
  191. Note that this has nothing to do with energy conservation per se.  Even in
  192. Newtonian physics, kinetic energy (mv^2/2) depends on the choice of
  193. reference frame.  However, relativity serves up a new twist.  In Newtonian
  194. physics, energy conservation and momentum conservation are two separate
  195. laws.  Special relativity welds them into one law, the conservation of the
  196. *energy-momentum 4-vector*.  To learn the whole scoop on 4-vectors, read a
  197. text on SR, for example Taylor and Wheeler (see refs.)  For our purposes,
  198. it's enough to remark that 4-vectors are vectors in spacetime, which most
  199. people privately picture just like ordinary vectors (unless they have
  200. *very* active imaginations). 
  201.  
  202. (2) Very massive objects emitting light.
  203.  
  204.     Light from the Sun appears redshifted to an Earthbound astronomer. 
  205. In quasi-Newtonian terms, we might say that light loses kinetic energy as
  206. it climbs out of the gravitational well of the Sun, but gains potential
  207. energy.  General relativity looks at it differently.  In GR, gravity is
  208. described not by a "potential" but by the "metric" of spacetime.  But "no
  209. problem", as the saying goes.  The Schwarzschild metric describes spacetime
  210. around a massive object, if the object is spherically symmetrical,
  211. uncharged, and "alone in the universe".  The Schwarzschild metric is both
  212. static and asymptotically flat, and energy conservation holds without major
  213. pitfalls.  For further details, consult MTW, chapter 25. 
  214.  
  215. (3) Gravitational waves.
  216.  
  217.     A binary pulsar emits gravitational waves, according to GR, and one
  218. expects (innocent word!) that these waves will carry away energy.  So its
  219. orbital period should change.  Einstein derived a formula for the rate of
  220. change (known as the quadrapole formula), and in the centenary of
  221. Einstein's birth, Russell Hulse and Joseph Taylor reported that the binary
  222. pulsar PSR1913+16 bore out Einstein's predictions within a few percent. 
  223. Hulse and Taylor were awarded the Nobel prize in 1993. 
  224.  
  225.     Despite this success, Einstein's formula remained controversial for
  226. many years, partly because of the subtleties surrounding energy
  227. conservation in GR.  The need to understand this situation better has kept
  228. GR theoreticians busy over the last few years.  Einstein's formula now
  229. seems well-established, both theoretically and observationally. 
  230.  
  231. (4) Expansion of the universe leading to cosmological redshift.
  232.  
  233.     The Cosmic Background Radiation (CBR) has red-shifted over billions
  234. of years.  Each photon gets redder and redder.  What happens to this
  235. energy? Cosmologists model the expanding universe with
  236. Friedmann-Robertson-Walker (FRW) spacetimes.  (The familiar "expanding
  237. balloon speckled with galaxies" belongs to this class of models.)  The FRW
  238. spacetimes are neither static nor asymptotically flat.  Those who harbor no
  239. qualms about pseudo-tensors will say that radiant energy becomes
  240. gravitational energy.  Others will say that the energy is simply lost. 
  241.  
  242.     It's time to look at mathematical fine points.  There are many to
  243. choose from!  The definition of asymptotically flat, for example, calls for
  244. some care (see Stewart); one worries about "boundary conditions at
  245. infinity".  (In fact, both spatial infinity and "null infinity" clamor for
  246. attention--- leading to different kinds of total energy.)  The static case
  247. has close connections with Noether's theorem (see Goldstein or Arnold).  If
  248. the catch-phrase "time translation symmetry implies conservation of energy"
  249. rings a bell (perhaps from quantum mechanics), then you're on the right
  250. track. (Check out "Killing vector" in the index of MTW, Wald, or Sachs and
  251. Wu.) 
  252.  
  253.     But two issues call for more discussion.  Why does the equivalence
  254. between the two forms of energy conservation break down?  How do the
  255. pseudo-tensors slide around this difficulty? 
  256.  
  257.     We've seen already that we should be talking about the
  258. energy-momentum 4-vector, not just its time-like component (the energy). 
  259. Let's consider first the case of flat Minkowski spacetime.  Recall that the
  260. notion of "inertial frame" corresponds to a special kind of coordinate
  261. system (Minkowskian coordinates). 
  262.  
  263.     Pick an inertial reference frame.  Pick a volume V in this frame,
  264. and pick two times t=t_0 and t=t_1.  One formulation of energy-momentum
  265. conservation says that the energy-momentum inside V changes only because of
  266. energy-momentum flowing across the boundary surface (call it S).  It is
  267. "conceptually difficult, mathematically easy" to define a quantity T so
  268. that the captions on the Equation 1 (below) are correct.  (The quoted
  269. phrase comes from Sachs and Wu.) 
  270.  
  271.   Equation 1:  (valid in flat Minkowski spacetime, when Minkowskian
  272.                 coordinates are used) 
  273.  
  274.                                                t=t_1
  275.        /                  /                    /
  276.        |                  |                    |
  277.        | T dV     -       | T dV       =       | T dt dS
  278.        /                  /                    /
  279.       V,t=t_0           V,t=t_1               t=t_0
  280.  
  281.    p contained       p contained            p flowing out through
  282.    in volume V    -  in volume V       =    boundary S of V
  283.    at time t_0       at time t_1            during t=t_0 to t=t_1
  284.  
  285.    (Note: p = energy-momentum 4-vector)
  286.  
  287. T is called the stress-energy tensor.  You don't need to know what
  288. that means! ---just that you can integrate T, as shown, to get
  289. 4-vectors.  Equation 1 may remind you of Gauss's theorem, which deals
  290. with flux across a boundary.  If you look at Equation 1 in the right
  291. 4-dimensional frame of mind, you'll discover it really says that the
  292. flux across the boundary of a certain 4-dimensional hypervolume is
  293. zero.  (The hypervolume is swept out by V during the interval t=t_0
  294. to t=t_1.)  MTW, chapter 7, explains this with pictures galore.  (See
  295. also Wheeler.)
  296.  
  297.     A 4-dimensional analogue to Gauss's theorem shows that Equation 1
  298. is equivalent to: 
  299.  
  300.   Equation 2:  (valid in flat Minkowski spacetime, with Minkowskian
  301.                 coordinates)
  302.  
  303.        coord_div(T) = sum_mu (partial T/partial x_mu) = 0
  304.  
  305. We write "coord_div" for the divergence, for we will meet another
  306. divergence in a moment.  Proof?  Quite similar to Gauss's theorem: if
  307. the divergence is zero throughout the hypervolume, then the flux
  308. across the boundary must also be zero.  On the other hand, the flux
  309. out of an infinitesimally small hypervolume turns out to be the
  310. divergence times the measure of the hypervolume.
  311.  
  312.     Pass now to the general case of any spacetime satisfying Einstein's
  313. field equation.  It is easy to generalize the differential form of
  314. energy-momentum conservation, Equation 2: 
  315.  
  316.   Equation 3:  (valid in any GR spacetime)
  317.  
  318.         covariant_div(T) = sum_mu nabla_mu(T) = 0    
  319.  
  320.                     (where nabla_mu = covariant derivative)
  321.  
  322. (Side comment: Equation 3 is the correct generalization of Equation 1 for
  323. SR when non-Minkowskian coordinates are used.)
  324.  
  325.     GR relies heavily on the covariant derivative, because the
  326. covariant derivative of a tensor is a tensor, and as we've seen, GR loves
  327. tensors.  Equation 3 follows from Einstein's field equation (because
  328. something called Bianchi's identity says that covariant_div(G)=0). But
  329. Equation 3 is no longer equivalent to Equation 1! 
  330.  
  331.     Why not?  Well, the familiar form of Gauss's theorem (from
  332. electrostatics) holds for any spacetime, because essentially you are
  333. summing fluxes over a partition of the volume into infinitesimally small
  334. pieces.  The sum over the faces of one infinitesimal piece is a divergence.
  335.  But the total contribution from an interior face is zero, since what flows
  336. out of one piece flows into its neighbor.  So the integral of the
  337. divergence over the volume equals the flux through the boundary.  "QED". 
  338.  
  339.     But for the equivalence of Equations 1 and 3, we would need an
  340. extension of Gauss's theorem.  Now the flux through a face is not a scalar,
  341. but a vector (the flux of energy-momentum through the face). The argument
  342. just sketched involves adding these vectors, which are defined at different
  343. points in spacetime.  Such "remote vector comparison" runs into trouble
  344. precisely for curved spacetimes. 
  345.  
  346.     The mathematician Levi-Civita invented the standard solution to
  347. this problem, and dubbed it "parallel transport".  It's easy to picture
  348. parallel transport: just move the vector along a path, keeping its
  349. direction "as constant as possible".  (Naturally, some non-trivial
  350. mathematics lurks behind the phrase in quotation marks.  But even
  351. pop-science expositions of GR do a good job explaining parallel transport.)
  352.  The parallel transport of a vector depends on the transportation path; for
  353. the canonical example, imagine parallel transporting a vector on a sphere. 
  354. But parallel transportation over an "infinitesimal distance" suffers no
  355. such ambiguity. (It's not hard to see the connection with curvature.) 
  356.  
  357.     To compute a divergence, we need to compare quantities (here
  358. vectors) on opposite faces.  Using parallel transport for this leads to the
  359. covariant divergence.  This is well-defined, because we're dealing with an
  360. infinitesimal hypervolume.  But to add up fluxes all over a finite-sized
  361. hypervolume (as in the contemplated extension of Gauss's theorem) runs
  362. smack into the dependence on transportation path. So the flux integral is
  363. not well-defined, and we have no analogue for Gauss's theorem. 
  364.  
  365.     One way to get round this is to pick one coordinate system, and
  366. transport vectors so their *components* stay constant.  Partial derivatives
  367. replace covariant derivatives, and Gauss's theorem is restored.  The energy
  368. pseudo-tensors take this approach (at least some of them do).  If you can
  369. mangle Equation 3 (covariant_div(T) = 0) into the form: 
  370.  
  371.        coord_div(Theta) = 0
  372.  
  373. then you can get an "energy conservation law" in integral form.
  374. Einstein was the first to do this; Dirac, Landau and Lifshitz, and
  375. Weinberg all came up with variations on this theme.  We've said
  376. enough already on the pros and cons of this approach.
  377.  
  378.     We will not delve into definitions of energy in general relativity
  379. such as the Hamiltonian (amusingly, the energy of a closed universe always
  380. works out to zero according to this definition), various kinds of energy
  381. one hopes to obtain by "deparametrizing" Einstein's equations, or
  382. "quasilocal energy".  There's quite a bit to say about this sort of thing! 
  383. Indeed, the issue of energy in general relativity has a lot to do with the
  384. notorious "problem of time" in quantum gravity.... but that's another can
  385. of worms. 
  386.  
  387. References (vaguely in order of difficulty):
  388.  
  389.   Clifford Will, "The renaissance of general relativity", in "The New
  390.     Physics" (ed. Paul Davies) gives a semi-technical discussion of the
  391.     controversy over gravitational radiation.
  392.   Wheeler, "A Journey into Gravity and Spacetime".  Wheeler's try at
  393.     a "pop-science" treatment of GR.  Chapters 6 and 7 are a
  394.     tour-de-force: Wheeler tries for a non-technical explanation of
  395.     Cartan's formulation of Einstein's field equation.  It might be
  396.     easier just to read MTW!)
  397.   Taylor and Wheeler, "Spacetime Physics".
  398.   Goldstein, "Classical Mechanics".
  399.   Arnold, "Mathematical Methods in Classical Mechanics".
  400.   Misner, Thorne, and Wheeler (MTW), "Gravitation", chapters 7, 20,
  401.     and 25 
  402.   Wald, "General Relativity", Appendix E.  This has the Hamiltonian
  403.      formalism and a bit about deparametrizing, and chapter 11
  404.      discusses energy in asymptotically flat spacetimes.
  405.   H. A. Buchdahl, "Seventeen Simple Lectures on General Relativity Theory"
  406.     Lecture 15 derives the energy-loss formula for the binary star, and
  407.     criticizes the derivation.
  408.   Sachs and Wu, "General Relativity for Mathematicians", chapter 3
  409.   John Stewart, "Advanced General Relativity".  Chapter 3 ("Asymptopia")
  410.     shows just how careful one has to be in asymptotically flat spacetimes
  411.     to recover energy conservation.  Stewart also discusses the Bondi-Sachs
  412.     mass, another contender for "energy".
  413.   Damour, in "300 Years of Gravitation" (ed. Hawking and Israel). Damour
  414.     heads the "Paris group", which has been active in the theory of
  415.     gravitational radiation.
  416.   Penrose and Rindler, "Spinors and Spacetime", vol II, chapter 9.  The
  417.     Bondi-Sachs mass generalized.
  418.   J. David Brown and James York Jr., "Quasilocal energy in general
  419.     relativity", in "Mathematical Aspects of Classical Field Theory".
  420.  
  421. ********************************************************************************
  422. Item 8.
  423.  
  424. Olbers' Paradox                                updated: 24-JAN-1993 by SIC
  425. ---------------                                original by Scott I. Chase
  426.  
  427.     Why isn't the night sky as uniformly bright as the surface of the
  428. Sun? If the Universe has infinitely many stars, then it should be.  After
  429. all, if you move the Sun twice as far away from us, we will intercept
  430. one-fourth as many  photons, but the Sun will subtend one-fourth of the
  431. angular area.  So the areal intensity remains constant.  With infinitely
  432. many stars, every angular element of the sky should have a star, and the
  433. entire heavens should be as bright as the sun.  We should have the
  434. impression that we live in the center of a hollow black body whose
  435. temperature is about 6000 degrees Centigrade.   This is Olbers' paradox.  
  436. It can be traced as far back as Kepler in 1610.  It was rediscussed by 
  437. Halley and Cheseaux in the eighteen century, but was not popularized as 
  438. a paradox until Olbers took up the issue in the nineteenth century.
  439.  
  440.     There are many possible explanations which have been considered. 
  441. Here are a few: 
  442.         (1) There's too much dust to see the distant stars.
  443.         (2) The Universe has only a finite number of stars.
  444.         (3) The distribution of stars is not uniform.  So, for example,
  445.             there could be an infinity of stars, but they hide behind one
  446.             another so that only a finite angular area is subtended by them. 
  447.         (4) The Universe is expanding, so distant stars are red-shifted into
  448.             obscurity.
  449.         (5) The Universe is young.  Distant light hasn't even reached us yet.
  450.  
  451.     The first explanation is just plain wrong.  In a black body, the
  452. dust will  heat up too.  It does act like a radiation shield, exponentially
  453. damping the  distant starlight.  But you can't put enough dust into the
  454. universe to get rid of enough starlight without also obscuring our own Sun.
  455. So this idea is bad. 
  456.  
  457.     The premise of the second explanation may technically be correct.
  458. But the number of stars, finite as it might be, is still large enough to 
  459. light up the entire sky, i.e., the total amount of luminous matter  in the 
  460. Universe is too large to allow this escape.  The number of stars is close 
  461. enough to infinite for the purpose of lighting up the sky.  The third 
  462. explanation might be partially correct.  We just don't know.  If the stars 
  463. are distributed fractally, then there could be large patches of empty space, 
  464. and the sky could appear dark except in small areas. 
  465.  
  466.     But the final two possibilities are are surely each correct and
  467. partly responsible.  There are numerical arguments that suggest that the
  468. effect of the finite age of the Universe is the larger effect.  We live
  469. inside a spherical shell of "Observable Universe" which has radius equal to
  470. the lifetime of the Universe.  Objects more than about 15 billion years
  471. old are too far away for their light ever to reach us. 
  472.  
  473.     Historically, after Hubble discovered that the Universe was
  474. expanding, but before the Big Bang was firmly established by the discovery
  475. of the cosmic background radiation, Olbers' paradox was presented as proof
  476. of special relativity.  You needed the red-shift (an SR effect) to get rid
  477. of the starlight.  This effect certainly contributes.  But the finite age
  478. of the Universe is the most important effect. 
  479.  
  480. References:  Ap. J. _367_, 399 (1991). The author, Paul Wesson, is said to
  481. be on a personal crusade to end the confusion surrounding Olbers' paradox. 
  482.  
  483. _Darkness at Night: A Riddle of the Universe_, Edward Harrison, Harvard
  484. University Press, 1987
  485.  
  486. ********************************************************************************
  487. Item 9.
  488.  
  489. What is Dark Matter?                            updated 11-MAY-1993 by SIC
  490. --------------------                            original by Scott I. Chase
  491.  
  492.     The story of dark matter is best divided into two parts.  First we
  493. have the reasons that we know that it exists.  Second is the collection of
  494. possible explanations as to what it is. 
  495.  
  496. Why the Universe Needs Dark Matter
  497. ----------------------------------
  498.  
  499.     We believe that that the Universe is critically balanced between
  500. being open and closed.  We derive this fact from the observation of the
  501. large scale structure of the Universe.  It requires a certain amount of
  502. matter to accomplish this result.  Call it M. 
  503.  
  504.     We can estimate the total BARYONIC matter of the universe by
  505. studying Big Bang nucleosynthesis.  This is done by connecting the observed
  506. He/H ratio of the Universe today to the amount of baryonic matter present
  507. during the early hot phase when most of the helium was produced.  Once the 
  508. temperature of the Universe dropped below the neutron-proton mass difference, 
  509. neutrons began decaying into protons.  If the early baryon density was low, 
  510. then it was hard for a proton to find a neutron with which to make helium 
  511. before too many of the neutrons decayed away to account for the amount of 
  512. helium we see today.  So by measuring the He/H ratio today, we can estimate 
  513. the necessary baryon density shortly after the Big Bang, and, consequently, 
  514. the total number of baryons today.  It turns out that you need about 0.05 M 
  515. total baryonic matter to account for the known ratio of light isotopes.  So 
  516. only 1/20 of the total mass of the Universe is baryonic matter.
  517.  
  518.     Unfortunately, the best estimates of the total mass of everything
  519. that we can see with our telescopes is roughly 0.01 M.  Where is the other
  520. 99% of the stuff of the Universe?  Dark Matter!
  521.  
  522.     So there are two conclusions.  We only see 0.01 M out of 0.05 M 
  523. baryonic matter in the Universe.  The rest must be in baryonic dark matter
  524. halos surrounding galaxies.  And there must be some non-baryonic dark matter 
  525. to account for the remaining 95% of the matter required to give omega, the 
  526. mass of the Universe, in units of critical mass, equal to unity. 
  527.  
  528.     For those who distrust the conventional Big Bang models, and don't
  529. want to rely upon fancy cosmology to derive the presence of dark matter,
  530. there are other more direct means.   It has been observed in clusters of
  531. galaxies that the motion of galaxies within a cluster suggests that they
  532. are bound by a total gravitational force due to about 5-10 times as much
  533. matter as can be accounted for from luminous matter in said galaxies.  And 
  534. within an individual galaxy, you can measure the rate of rotation of the
  535. stars about the galactic center of rotation.  The resultant "rotation
  536. curve" is simply related to the distribution of matter in the galaxy.  The
  537. outer stars in galaxies seem to rotate too fast for the amount of matter
  538. that we see in the galaxy.  Again, we need about 5 times more matter than
  539. we can see via electromagnetic radiation.  These results can be explained
  540. by assuming that there is a "dark matter halo" surrounding every galaxy. 
  541.  
  542. What is Dark Matter
  543. -------------------
  544.  
  545.     This is the open question.  There are many possibilities, and
  546. nobody really knows much about this yet.  Here are a few of the many
  547. published suggestions, which are being currently hunted for by
  548. experimentalists all over the world.  Remember, you need at least one
  549. baryonic candidate and one non-baryonic candidate to make everything
  550. work out, so there there may be more than one correct choice among 
  551. the possibilities given here. 
  552.  
  553. (1) Normal matter which has so far eluded our gaze, such as 
  554.         (a) dark galaxies
  555.         (b) brown dwarfs
  556.         (c) planetary material (rock, dust, etc.)
  557.  
  558. (2) Massive Standard Model neutrinos.  If any of the neutrinos are massive,
  559. then this could be the missing mass.  On the other hand, if they are 
  560. too heavy, as the purported 17 KeV neutrino would have been, massive
  561. neutrinos create almost as many problems as they solve in this regard. 
  562.  
  563. (3) Exotica (See the "Particle Zoo" FAQ entry for some details)
  564.  
  565.     Massive exotica would provide the missing mass.  For our purposes, 
  566. these fall into two classes: those which have been proposed for other
  567. reasons but happen to solve the dark matter problem, and those which have
  568. been proposed specifically to provide the missing dark matter. 
  569.  
  570.     Examples of objects in the first class are axions, additional
  571. neutrinos, supersymmetric particles, and a host of others. Their properties
  572. are constrained by the theory which predicts them, but by virtue of their
  573. mass, they solve the dark matter problem if they exist in the correct
  574. abundance. 
  575.  
  576.     Particles in the second class are generally classed in loose groups. 
  577. Their properties are not specified, but they are merely required to be
  578. massive and have other properties such that they would so far have eluded
  579. discovery in the many experiments which have looked for new particles. 
  580. These include WIMPS (Weakly Interacting Massive Particles), CHAMPS, and a
  581. host of others. 
  582.  
  583. References:  _Dark Matter in the Universe_ (Jerusalem Winter School for
  584. Theoretical Physics, 1986-7), J.N. Bahcall, T. Piran, & S. Weinberg editors.
  585. _Dark Matter_ (Proceedings of the XXIIIrd Recontre de Moriond) J. Audouze and 
  586. J. Tran Thanh Van. editors.
  587.  
  588. ********************************************************************************
  589. Item 10.
  590.  
  591. Some Frequently Asked Questions About Black Holes   updated 2-JUL-1993 by MM 
  592. -------------------------------------------------   original by Matt McIrvin
  593.  
  594. Contents:
  595.  
  596. 1. What is a black hole, really?
  597. 2. What happens to you if you fall in?
  598. 3. Won't it take forever for you to fall in?  Won't it take forever
  599.    for the black hole to even form? 
  600. 4. Will you see the universe end?
  601. 5. What about Hawking radiation?  Won't the black hole evaporate 
  602.    before you get there?
  603. 6. How does the gravity get out of the black hole?
  604. 7. Where did you get that information?
  605.  
  606. 1. What is a black hole, really?
  607.  
  608.     In 1916, when general relativity was new, Karl Schwarzschild worked
  609. out a useful solution to the Einstein equation describing the evolution of
  610. spacetime geometry.  This solution, a possible shape of spacetime, would
  611. describe the effects of gravity *outside* a spherically symmetric,
  612. uncharged, nonrotating object (and would serve approximately to describe
  613. even slowly rotating objects like the Earth or Sun).  It worked in much the
  614. same way that you can treat the Earth as a point mass for purposes of
  615. Newtonian gravity if all you want to do is describe gravity *outside* the
  616. Earth's surface. 
  617.  
  618.     What such a solution really looks like is a "metric," which is a
  619. kind of generalization of the Pythagorean formula that gives the length of
  620. a line segment in the plane.  The metric is a formula that may be used to
  621. obtain the "length" of a curve in spacetime.  In the case of a curve
  622. corresponding to the motion of an object as time passes (a "timelike
  623. worldline,") the "length" computed by the metric is actually the elapsed
  624. time experienced by an object with that motion.  The actual formula depends
  625. on the coordinates chosen in which to express things, but it may be
  626. transformed into various coordinate systems without affecting anything
  627. physical, like the spacetime curvature.  Schwarzschild expressed his metric
  628. in terms of coordinates which, at large distances from the object,
  629. resembled spherical coordinates with an extra coordinate t for time. 
  630. Another coordinate, called r, functioned as a radial coordinate at large
  631. distances; out there it just gave the distance to the massive object. 
  632.  
  633.     Now, at small radii, the solution began to act strangely.  There
  634. was a "singularity" at the center, r=0, where the curvature of spacetime
  635. was infinite.  Surrounding that was a region where the "radial" direction
  636. of decreasing r was actually a direction in *time* rather than in space.
  637. Anything in that region, including light, would be obligated to fall toward
  638. the singularity, to be crushed as tidal forces diverged. This was separated
  639. from the rest of the universe by a place where Schwarzschild's coordinates
  640. blew up, though nothing was wrong with the curvature of spacetime there. 
  641. (This was called the Schwarzschild radius.  Later, other coordinate systems
  642. were discovered in which the blow-up didn't happen; it was an artifact of
  643. the coordinates, a little like the problem of defining the longitude of the
  644. North Pole.  The physically important thing about the Schwarzschild radius
  645. was not the coordinate problem, but the fact that within it the direction
  646. into the hole became a direction in time.) 
  647.  
  648.     Nobody really worried about this at the time, because there was no
  649. known object that was dense enough for that inner region to actually be
  650. outside it, so for all known cases, this odd part of the solution would not
  651. apply.  Arthur Stanley Eddington considered the possibility of a dying star
  652. collapsing to such a density,  but rejected it as aesthetically unpleasant
  653. and proposed that some new physics must intervene.  In 1939, Oppenheimer
  654. and Snyder finally took seriously the possibility that stars a few times
  655. more massive than the sun might be doomed to collapse to such a state at
  656. the end of their lives. 
  657.  
  658.     Once the star gets smaller than the place where Schwarzschild's
  659. coordinates fail (called the Schwarzschild radius for an uncharged,
  660. nonrotating object, or the event horizon) there's no way it can avoid
  661. collapsing further.  It has to collapse all the way to a singularity for
  662. the same reason that you can't keep from moving into the future! Nothing
  663. else that goes into that region afterward can avoid it either, at least in
  664. this simple case.  The event horizon is a point of no return. 
  665.  
  666.     In 1971 John Archibald Wheeler named such a thing a black hole,
  667. since light could not escape from it.  Astronomers have many candidate
  668. objects they think are probably black holes, on the basis of several kinds
  669. of evidence (typically they are dark objects whose large mass can be
  670. deduced from their gravitational effects on other objects, and which
  671. sometimes emit X-rays, presumably from infalling matter).  But the
  672. properties of black holes I'll talk about here are entirely theoretical.
  673. They're based on general relativity, which is a theory that seems supported
  674. by available evidence. 
  675.  
  676. 2. What happens to you if you fall in?
  677.  
  678.     Suppose that, possessing a proper spacecraft and a self-destructive
  679. urge, I decide to go black-hole jumping and head for an uncharged,
  680. nonrotating ("Schwarzschild") black hole.  In this and other kinds of hole,
  681. I won't, before I fall in, be able to see anything within the event
  682. horizon.  But there's nothing *locally* special about the event horizon;
  683. when I get there it won't seem like a particularly unusual place, except
  684. that I will see strange optical distortions of the sky around me from all
  685. the bending of light that goes on.  But as soon as I fall through, I'm
  686. doomed.  No bungee will help me, since bungees can't keep Sunday from
  687. turning into Monday.  I have to hit the singularity eventually, and before
  688. I get there there will be enormous tidal forces-- forces due to the
  689. curvature of spacetime-- which will squash me and my spaceship in some
  690. directions and stretch them in another until I look like a piece of
  691. spaghetti.  At the singularity all of present physics is mute as to what
  692. will happen, but I won't care.  I'll be dead. 
  693.  
  694.     For ordinary black holes of a few solar masses, there are actually
  695. large tidal forces well outside the event horizon, so I probably wouldn't
  696. even make it into the hole alive and unstretched.  For a black hole of 8
  697. solar masses, for instance, the value of r at which tides become fatal is
  698. about 400 km, and the Schwarzschild radius is just 24 km.  But tidal
  699. stresses are proportional to M/r^3.  Therefore the fatal r goes as the cube
  700. root of the mass, whereas the Schwarzschild radius of the black hole is
  701. proportional to the mass.  So for black holes larger than about 1000 solar
  702. masses I could probably fall in alive, and for still larger ones I might
  703. not even notice the tidal forces until I'm through the horizon and doomed. 
  704.  
  705. 3. Won't it take forever for you to fall in?  Won't it take forever
  706.    for the black hole to even form?
  707.  
  708.     Not in any useful sense.  The time I experience before I hit the
  709. event horizon, and even until I hit the singularity-- the "proper time"
  710. calculated by using Schwarzschild's metric on my worldline -- is finite. 
  711. The same goes for the collapsing star; if I somehow stood on the surface of
  712. the star as it became a black hole, I would experience the star's demise in
  713. a finite time. 
  714.  
  715.     On my worldline as I fall into the black hole, it turns out that
  716. the Schwarzschild coordinate called t goes to infinity when I go through
  717. the event horizon.  That doesn't correspond to anyone's proper time,
  718. though; it's just a coordinate called t.  In fact, inside the event
  719. horizon, t is actually a *spatial* direction, and the future corresponds
  720. instead to decreasing r.  It's only outside the black hole that t even
  721. points in a direction of increasing time.  In any case, this doesn't
  722. indicate that I take forever to fall in, since the proper time involved is
  723. actually finite. 
  724.  
  725.     At large distances t *does* approach the proper time of someone who
  726. is at rest with respect to the black hole.  But there isn't any
  727. non-arbitrary sense in which you can call t at smaller r values "the proper
  728. time of a distant observer," since in general relativity there is no
  729. coordinate-independent way to say that two distant events are happening "at
  730. the same time."  The proper time of any observer is only defined locally. 
  731.  
  732.     A more physical sense in which it might be said that things take
  733. forever to fall in is provided by looking at the paths of emerging light
  734. rays.  The event horizon is what, in relativity parlance, is called a
  735. "lightlike surface"; light rays can remain there.  For an ideal
  736. Schwarzschild hole (which I am considering in this paragraph) the horizon
  737. lasts forever, so the light can stay there without escaping.  (If you
  738. wonder how this is reconciled with the fact that light has to travel at the
  739. constant speed c-- well, the horizon *is* traveling at c! Relative speeds
  740. in GR are also only unambiguously defined locally, and if you're at the
  741. event horizon you are necessarily falling in; it comes at you at the speed
  742. of light.)  Light beams aimed directly outward from just outside the
  743. horizon don't escape to large distances until late values of t.  For
  744. someone at a large distance from the black hole and approximately at rest
  745. with respect to it, the coordinate t does correspond well to proper time. 
  746.  
  747.     So if you, watching from a safe distance, attempt to witness my
  748. fall into the hole, you'll see me fall more and more slowly as the light
  749. delay increases.  You'll never see me actually *get to* the event horizon.
  750. My watch, to you, will tick more and more slowly, but will never reach the
  751. time that I see as I fall into the black hole.  Notice that this is really
  752. an optical effect caused by the paths of the light rays. 
  753.  
  754.     This is also true for the dying star itself.  If you attempt to
  755. witness the black hole's formation, you'll see the star collapse more and
  756. more slowly, never precisely reaching the Schwarzschild radius. 
  757.  
  758.     Now, this led early on to an image of a black hole as a strange
  759. sort of suspended-animation object, a "frozen star" with immobilized
  760. falling debris and gedankenexperiment astronauts hanging above it in
  761. eternally slowing precipitation.  This is, however, not what you'd see. The
  762. reason is that as things get closer to the event horizon, they also get
  763. *dimmer*.  Light from them is redshifted and dimmed, and if one considers
  764. that light is actually made up of discrete photons, the time of escape of
  765. *the last photon* is actually finite, and not very large.  So things would
  766. wink out as they got close, including the dying star, and the name "black
  767. hole" is justified. 
  768.  
  769.     As an example, take the eight-solar-mass black hole I mentioned
  770. before.  If you start timing from the moment the you see the object half a
  771. Schwarzschild radius away from the event horizon, the light will dim
  772. exponentially from that point on with a characteristic time of about 0.2
  773. milliseconds, and the time of the last photon is about a hundredth of a
  774. second later.  The times scale proportionally to the mass of the black
  775. hole.  If I jump into a black hole, I don't remain visible for long. 
  776.  
  777.     Also, if I jump in, I won't hit the surface of the "frozen star."
  778. It goes through the event horizon at another point in spacetime from
  779. where/when I do. 
  780.  
  781.     (Some have pointed out that I really go through the event horizon a
  782. little earlier than a naive calculation would imply.  The reason is that my
  783. addition to the black hole increases its mass, and therefore moves the
  784. event horizon out around me at finite Schwarzschild t coordinate.  This
  785. really doesn't change the situation with regard to whether an external
  786. observer sees me go through, since the event horizon is still lightlike;
  787. light emitted at the event horizon or within it will never escape to large
  788. distances, and light emitted just outside it will take a long time to get
  789. to an observer, timed, say, from when the observer saw me pass the point
  790. half a Schwarzschild radius outside the hole.) 
  791.  
  792.     All this is not to imply that the black hole can't also be used for
  793. temporal tricks much like the "twin paradox" mentioned elsewhere in this
  794. FAQ.  Suppose that I don't fall into the black hole-- instead, I stop and
  795. wait at a constant r value just outside the event horizon, burning
  796. tremendous amounts of rocket fuel and somehow withstanding the huge
  797. gravitational force that would result.  If I then return home, I'll have
  798. aged less than you.  In this case, general relativity can say something
  799. about the difference in proper time experienced by the two of us, because
  800. our ages can be compared *locally* at the start and end of the journey. 
  801.  
  802. 4. Will you see the universe end?
  803.  
  804.     If an external observer sees me slow down asymptotically as I fall,
  805. it might seem reasonable that I'd see the universe speed up
  806. asymptotically-- that I'd see the universe end in a spectacular flash as I
  807. went through the horizon.  This isn't the case, though.  What an external
  808. observer sees depends on what light does after I emit it.  What I see,
  809. however, depends on what light does before it gets to me.  And there's no
  810. way that light from future events far away can get to me.  Faraway events
  811. in the arbitrarily distant future never end up on my "past light-cone," the
  812. surface made of light rays that get to me at a given time. 
  813.  
  814.     That, at least, is the story for an uncharged, nonrotating black
  815. hole.  For charged or rotating holes, the story is different.  Such holes
  816. can contain, in the idealized solutions, "timelike wormholes" which serve
  817. as gateways to otherwise disconnected regions-- effectively, different
  818. universes.  Instead of hitting the singularity, I can go through the
  819. wormhole.  But at the entrance to the wormhole, which acts as a kind of
  820. inner event horizon, an infinite speed-up effect actually does occur.  If I
  821. fall into the wormhole I see the entire history of the universe outside
  822. play itself out to the end.  Even worse, as the picture speeds up the light
  823. gets blueshifted and more energetic, so that as I pass into the wormhole an
  824. "infinite blueshift" happens which fries me with hard radiation.  There is
  825. apparently good reason to believe that the infinite blueshift would imperil
  826. the wormhole itself, replacing it with a singularity no less pernicious
  827. than the one I've managed to miss.  In any case it would render wormhole
  828. travel an undertaking of questionable practicality. 
  829.  
  830. 5. What about Hawking radiation?  Won't the black hole evaporate
  831.    before you get there?
  832.  
  833.     (First, a caveat: Not a lot is really understood about evaporating
  834. black holes.  The following is largely deduced from information in Wald's
  835. GR text, but what really happens-- especially when the black hole gets very
  836. small-- is unclear.  So take the following with a grain of salt.) 
  837.  
  838. Short answer:  No, it won't.  This demands some elaboration.
  839.  
  840.     From thermodynamic arguments Stephen Hawking realized that a black
  841. hole should have a nonzero temperature, and ought therefore to emit
  842. blackbody radiation.  He eventually figured out a quantum- mechanical
  843. mechanism for this.  Suffice it to say that black holes should very, very
  844. slowly lose mass through radiation, a loss which accelerates as the hole
  845. gets smaller and eventually evaporates completely in a burst of radiation. 
  846. This happens in a finite time according to an outside observer. 
  847.  
  848.     But I just said that an outside observer would *never* observe an
  849. object actually entering the horizon!  If I jump in, will you see the black
  850. hole evaporate out from under me, leaving me intact but marooned in the
  851. very distant future from gravitational time dilation? 
  852.  
  853.     You won't, and the reason is that the discussion above only applies
  854. to a black hole that is not shrinking to nil from evaporation. Remember
  855. that the apparent slowing of my fall is due to the paths of outgoing light
  856. rays near the event horizon.  If the black hole *does* evaporate, the delay
  857. in escaping light caused by proximity to the event horizon can only last as
  858. long as the event horizon does!  Consider your external view of me as I
  859. fall in. 
  860.  
  861.     If the black hole is eternal, events happening to me (by my watch)
  862. closer and closer to the time I fall through happen divergingly later
  863. according to you (supposing that your vision is somehow not limited by the
  864. discreteness of photons, or the redshift). 
  865.  
  866.     If the black hole is mortal, you'll instead see those events happen
  867. closer and closer to the time the black hole evaporates.  Extrapolating,
  868. you would calculate my time of passage through the event horizon as the
  869. exact moment the hole disappears!  (Of course, even if you could see me,
  870. the image would be drowned out by all the radiation from the evaporating
  871. hole.)  I won't experience that cataclysm myself, though; I'll be through
  872. the horizon, leaving only my light behind. As far as I'm concerned, my
  873. grisly fate is unaffected by the evaporation. 
  874.  
  875.     All of this assumes you can see me at all, of course.  In practice
  876. the time of the last photon would have long been past.  Besides, there's
  877. the brilliant background of Hawking radiation to see through as the hole
  878. shrinks to nothing. 
  879.  
  880.     (Due to considerations I won't go into here, some physicists think
  881. that the black hole won't disappear completely, that a remnant hole will be
  882. left behind.  Current physics can't really decide the question, any more
  883. than it can decide what really happens at the singularity. If someone ever
  884. figures out quantum gravity, maybe that will provide an answer.) 
  885.  
  886. 6. How does the gravity get out of the black hole?
  887.  
  888.     Purely in terms of general relativity, there is no problem here. 
  889. The gravity doesn't have to get out of the black hole.  General relativity
  890. is a local theory, which means that the field at a certain point in
  891. spacetime is determined entirely by things going on at places that can
  892. communicate with it at speeds less than or equal to c.  If a star collapses
  893. into a black hole, the gravitational field outside the black hole may be
  894. calculated entirely from the properties of the star and its external
  895. gravitational field *before* it becomes a black hole. Just as the light
  896. registering late stages in my fall takes longer and longer to get out to
  897. you at a large distance, the gravitational consequences of events late in
  898. the star's collapse take longer and longer to ripple out to the world at
  899. large.  In this sense the black hole *is* a kind of "frozen star": the
  900. gravitational field is a fossil field.  The same is true of the
  901. electromagnetic field that a black hole may possess. 
  902.  
  903.     Often this question is phrased in terms of gravitons, the
  904. hypothetical quanta of spacetime distortion.  If things like gravity
  905. correspond to the exchange of "particles" like gravitons, how can they get
  906. out of the event horizon to do their job? 
  907.  
  908.     First of all, it's important to realize that gravitons are not as
  909. yet even part of a complete theory, let alone seen experimentally.  They
  910. don't exist in general relativity, which is a non-quantum theory.  When
  911. fields are described as mediated by particles, that's quantum theory, and
  912. nobody has figured out how to construct a quantum theory of gravity.  Even
  913. if such a theory is someday built, it may not involve "virtual particles"
  914. in the same way other theories do.  In quantum electrodynamics, the static
  915. forces between particles are described as resulting from the exchange of
  916. "virtual photons," but the virtual photons only appear when one expresses
  917. QED in terms of a quantum- mechanical approximation method called
  918. perturbation theory.  It currently looks like this kind of perturbation
  919. theory doesn't work properly when applied to quantum gravity.  So although
  920. quantum gravity may well involve "real gravitons" (quantized gravitational
  921. waves), it may well not involve "virtual gravitons" as carriers of static
  922. gravitational forces. 
  923.  
  924.     Nevertheless, the question in this form is still worth asking,
  925. because black holes *can* have static electric fields, and we know that
  926. these may be described in terms of virtual photons.  So how do the virtual
  927. photons get out of the event horizon?  The answer is that virtual particles
  928. aren't confined to the interiors of light cones: they can go faster than
  929. light!  Consequently the event horizon, which is really just a surface that
  930. moves at the speed of light, presents no barrier. 
  931.  
  932.     I couldn't use these virtual photons after falling into the hole to
  933. communicate with you outside the hole; nor could I escape from the hole by
  934. somehow turning myself into virtual particles.  The reason is that virtual
  935. particles don't carry any *information* outside the light cone.  That is a
  936. tricky subject for another (future?) FAQ entry.  Suffice it to say that the
  937. reasons virtual particles don't provide an escape hatch for a black hole
  938. are the same as the reasons they can't be used for faster-than-light travel
  939. or communication. 
  940.  
  941. 7. Where did you get that information?
  942.  
  943.     The numbers concerning fatal radii, dimming, and the time of the
  944. last photon came from Misner, Thorne, and Wheeler's _Gravitation_ (San
  945. Francisco: W. H. Freeman & Co., 1973), pp. 860-862 and 872-873. Chapters 32
  946. and 33 (IMHO, the best part of the book) contain nice descriptions of some
  947. of the phenomena I've described. 
  948.  
  949.     Information about evaporation and wormholes came from Robert Wald's
  950. _General Relativity_ (Chicago: University of Chicago Press, 1984). The
  951. famous conformal diagram of an evaporating hole on page 413 has resolved
  952. several arguments on sci.physics (though its veracity is in question). 
  953.  
  954.     Steven Weinberg's _Gravitation and Cosmology_ (New York: John Wiley
  955. and Sons, 1972) provided me with the historical dates.  It discusses some
  956. properties of the Schwarzschild solution in chapter 8 and describes
  957. gravitational collapse in chapter 11. 
  958.  
  959. ********************************************************************************
  960. Item 11.
  961.  
  962. The Solar Neutrino Problem                          original by Bruce Scott
  963. --------------------------                updated 5-JUN-1994 by SIC
  964.  
  965. The Short Story:
  966.  
  967.     Fusion reactions in the core of the Sun produce a huge flux of
  968. neutrinos. These neutrinos can be detected on Earth using large underground
  969. detectors, and the flux measured to see if it agrees with theoretical
  970. calculations based upon our understanding of the workings of the Sun and
  971. the details of the Standard Model (SM) of particle physics. The measured
  972. flux is roughly one-half of the flux expected from theory. The cause of the
  973. deficit is a mystery.  Is our particle physics wrong? Is our model of the
  974. Solar interior wrong?  Are the experiments in error?  This is the "Solar
  975. Neutrino Problem." 
  976.  
  977.     There are precious few experiments which seem to stand in
  978. disagreement with the SM, which can be studied in the hope of making
  979. breakthroughs in particle physics.  The study of this problem may yield
  980. important new insights which may help us go beyond the Standard Model. 
  981. There are many experiments in progress, so stay tuned. 
  982.  
  983. The Long Story:
  984.  
  985.     A middle-aged main-sequence star like the Sun is in a
  986. slowly-evolving equilibrium, in which pressure exerted by the hot gas
  987. balances the self-gravity of the gas mass. Slow evolution results from the
  988. star radiating energy away in the form of light, fusion reactions occurring
  989. in the core heating the gas and replacing the energy lost by radiation, and
  990. slow structural adjustment to compensate the changes in entropy and
  991. composition. 
  992.  
  993.     We cannot directly observe the center, because the mean-free path
  994. of a photon against absorption or scattering is very short, so short that
  995. the radiation-diffusion time scale is of order 10 million years. But the
  996. main proton-proton reaction (PP1) in the Sun involves emission of a
  997. neutrino: 
  998.  
  999.         p + p --> D + positron + neutrino(0.26 MeV),
  1000.  
  1001. which is directly observable since the cross-section for interaction with
  1002. ordinary matter is so small (the 0.26 MeV is the average energy carried
  1003. away by the neutrino).  Essentially all the neutrinos make it to the Earth.
  1004. Of course, this property also makes it difficult to detect the neutrinos.
  1005. The first experiments by Davis and collaborators, involving large tanks of
  1006. chloride fluid placed underground, could only detect higher-energy
  1007. neutrinos from small side-chains in the solar fusion: 
  1008.  
  1009.  
  1010.         PP2:    Be(7) + electron --> Li(7) + neutrino(0.80 MeV),
  1011.         PP3:    B(8) --> Be(8) + positron + neutrino(7.2 MeV).
  1012.  
  1013. Recently, however, the GALLEX experiment, using a gallium-solution detector
  1014. system, has observed the PP1 neutrinos to provide the first unambiguous
  1015. confirmation of proton-proton fusion in the Sun.
  1016.  
  1017.     There is a "neutrino problem", however, and that is the fact that
  1018. every experiment has measured a shortfall of neutrinos. About one- to
  1019. two-thirds of the neutrinos expected are observed, depending on
  1020. experimental error. In the case of GALLEX, the data read 80 units where 120
  1021. are expected, and the discrepancy is about two standard deviations. To
  1022. explain the shortfall, one of two things must be the case: (1) either the
  1023. temperature at the center is slightly less than we think it is, or (2)
  1024. something happens to the neutrinos during their flight over the
  1025. 150-million-km journey to Earth. A third possibility is that the Sun
  1026. undergoes relaxation oscillations in central temperature on a time scale
  1027. shorter than 10 Myr, but since no-one has a credible mechanism this
  1028. alternative is not seriously entertained. 
  1029.  
  1030. (1) The fusion reaction rate is a very strong function of the temperature,
  1031. because particles much faster than the thermal average account for most of
  1032. it. Reducing the temperature of the standard solar model by 6 per cent
  1033. would entirely explain GALLEX; indeed, Bahcall has recently published an
  1034. article arguing that there may be no solar neutrino problem at all.
  1035. However, the community of solar seismologists, who observe small
  1036. oscillations in spectral line strengths due to pressure waves traversing
  1037. through the Sun, argue that such a change is not permitted by their
  1038. results. 
  1039.  
  1040. (2) A mechanism (called MSW, after its authors) has been proposed, by which
  1041. the neutrinos self-interact to periodically change flavor between electron,
  1042. muon, and tau neutrino types. Here, we would only expect to observe a
  1043. fraction of the total, since only electron neutrinos are detected in the
  1044. experiments. (The fraction is not exactly 1/3 due to the details of the
  1045. theory.) Efforts continue to verify this theory in the laboratory. The MSW
  1046. phenomenon, also called "neutrino oscillation", requires that the three
  1047. neutrinos have finite and differing mass, which is also still unverified. 
  1048.  
  1049.     To use explanation (1) with the Sun in thermal equilibrium
  1050. generally requires stretching several independent observations to the
  1051. limits of their errors, and in particular the earlier chloride results must
  1052. be explained away as unreliable (there was significant scatter in the
  1053. earliest ones, casting doubt in some minds on the reliability of the
  1054. others).  Further data over longer times will yield better statistics so
  1055. that we will better know to what extent there is a problem. Explanation (2)
  1056. depends of course on a proposal whose veracity has not been determined.
  1057. Until the MSW phenomenon is observed or ruled out in the laboratory, the
  1058. matter will remain open. 
  1059.  
  1060.     In summary, fusion reactions in the Sun can only be observed
  1061. through their neutrino emission. Fewer neutrinos are observed than
  1062. expected, by two standard deviations in the best result to date. This can
  1063. be explained either by a slightly cooler center than expected or by a
  1064. particle-physics mechanism by which neutrinos oscillate between flavors.
  1065. The problem is not as severe as the earliest experiments indicated, and
  1066. further data with better statistics are needed to settle the matter. 
  1067.  
  1068. References:
  1069.  
  1070. [0] The main-sequence Sun: D. D. Clayton, Principles of Stellar Evolution
  1071.     and Nucleosynthesis, McGraw-Hill, 1968. Still the best text.
  1072. [0] Solar neutrino reviews: J. N. Bahcall and M. Pinsonneault, Reviews of
  1073.     Modern Physics, vol 64, p 885, 1992; S. Turck-Chieze and I. Lopes,
  1074.     Astrophysical Journal, vol 408, p 347, 1993. See also J. N. Bahcall,
  1075.     Neutrino Astrophysics (Cambridge, 1989).
  1076. [1] Experiments by R. Davis et al: See October 1990 Physics Today, p 17.
  1077. [2] The GALLEX team: two articles in Physics Letters B, vol 285, p 376
  1078.     and p 390. See August 1992 Physics Today, p 17. Note that 80 "units" 
  1079.     correspond to the production of 9 atoms of Ge(71) in 30 tons of
  1080.     solution containing 12 tons Ga(71), after three weeks of run time!
  1081. [3] Bahcall arguing for new physics: J. N. Bahcall and H. A. Bethe,
  1082.     Physical Review D, vol 47, p 1298, 1993; against new physics: J. N. 
  1083.     Bahcall et al, "Has a Standard Model Solution to the Solar Neutrino 
  1084.     Problem Been Found?", preprint IASSNS-94/13 received at the National
  1085.     Radio Astronomy Observatory, 1994.    
  1086. [4] The MSW mechanism, after Mikheyev, Smirnov, and Wolfenstein: See the
  1087.     second GALLEX paper.
  1088. [5] Solar seismology and standard solar models: J. Christensen-Dalsgaard 
  1089.     and W. Dappen, Astronomy and Astrophysics Reviews, vol 4, p 267, 1992;
  1090.     K. G. Librecht and M. F. Woodard, Science, vol 253, p 152, 1992. See
  1091.     also the second GALLEX paper. 
  1092.  
  1093. ********************************************************************************
  1094. Item 12.
  1095.  
  1096. The Expanding Universe                          original by Michael Weiss
  1097. ----------------------                updated 1-NOV-1994 by SIC 
  1098.  
  1099. Here are the answers to some commonly asked questions about exactly 
  1100. what it means to say that the Universe is expanding.
  1101.  
  1102. (1) IF THE UNIVERSE IS EXPANDING, DOES THAT MEAN ATOMS ARE GETTING BIGGER?
  1103. IS THE SOLAR SYSTEM EXPANDING?
  1104.  
  1105. Mrs. Felix:  Why don't you do your homework?
  1106. Allen Felix: The Universe is expanding.  Everything will fall
  1107.              apart, and we'll all die.  What's the point?
  1108. Mrs. Felix:  We live in Brooklyn.  Brooklyn is not expanding!
  1109.              Go do your homework.
  1110.  
  1111.                         -from "Annie Hall" by Woody Allen.
  1112.  
  1113. Mrs. Felix is right.  Neither Brooklyn, nor its atoms, nor the solar
  1114. system, nor even the galaxy, is expanding.  The Universe expands
  1115. (according to standard cosmological models) only when averaged over a very
  1116. large scale.
  1117.  
  1118.     The phrase "expansion of the Universe" refers both to experimental
  1119. observation and to theoretical cosmological models.  Lets look at them one
  1120. at a time, starting with the observations.
  1121.  
  1122. Observation
  1123. -----------
  1124.  
  1125.     The observation is Hubble's redshift law.  
  1126.  
  1127.     In 1929, Hubble reported that the light from distant galaxies is
  1128. redshifted.  If you interpret this redshift as a Doppler shift, then the
  1129. galaxies are receding according to the law: 
  1130.  
  1131.     (velocity of recession) = H * (distance from Earth)
  1132.  
  1133. H is called Hubble's constant; Hubble's original value for H was 550
  1134. kilometers per second per megaparsec (km/s/Mpc).  Current estimates range
  1135. from 10 to 100 km/s/Mpc.  (Measuring redshift is easy; estimating distance
  1136. is hard.  Roughly speaking, astronomers fall into two "camps", some
  1137. favoring an H around 80 km/s/Mpc, others an H around 40 or less). 
  1138.  
  1139.     Hubble's redshift formula does *not* imply that the Earth is in
  1140. particularly bad oder in the universe.  The familiar model of the universe
  1141. as an expanding balloon speckled with galaxies shows that Hubble's alter
  1142. ego on any other galaxy would make the same observation. 
  1143.  
  1144.     But astronomical objects in our neck of the woods--- everything
  1145. from the Sun to galaxies belonging to the so-called "local group"--- show
  1146. no such Hubble redshifts.  Nearby stars and galaxies *do* show motion with
  1147. respect to the Earth (known as "peculiar velocities"), but this does not
  1148. look like the "Hubble flow" that is seen for distant galaxies.  For
  1149. example, the Andromeda galaxy shows blueshift instead of redshift.  So the
  1150. verdict of observation is: our solar system, our galaxy, our local group,
  1151. is not expanding. 
  1152.  
  1153.     By the way, Hubble's constant, is not, in spite of its name,
  1154. constant in time. In fact, it is decreasing.  Imagine a galaxy D
  1155. light-years from the Earth, receding at a velocity V = H*D.  D is always
  1156. increasing because of the recession.  But does V increase?  No.  In fact, V
  1157. is decreasing because gravitational attraction is slowly bringing the
  1158. expansion of the Universe to a halt.  So H is going down over time.  But it
  1159. *is* constant over space, i.e., it is the same number for all distant
  1160. objects as we observe them today. 
  1161.  
  1162. Theory 
  1163. ------
  1164.  
  1165. The theoretical models are, typically, Friedmann-Robertson-Walker (FRW) 
  1166. spacetimes.  
  1167.  
  1168.     Cosmologists model the universe using "spacetimes", that is to say,
  1169. solutions to the field equations of Einstein's theory of general
  1170. relativity.  The Russian mathematician Alexander Friedmann discovered an
  1171. important class of global solutions in 1923.  The familiar image of the
  1172. universe as an expanding balloon speckled with galaxies is a "movie
  1173. version" of one of Friedmann's solutions.  Robertson and Walker later
  1174. extended Friedmann's work, so you'll find references to
  1175. "Friedmann-Robertson-Walker" (FRW) spacetimes in the literature. 
  1176.  
  1177.     FRW spacetimes come in a great variety of styles--- expanding,
  1178. contracting, flat, curved, open, closed, ....  The "expanding balloon"
  1179. picture corresponds to just a few of these. 
  1180.  
  1181.     A concept called the metric plays a starring role in general
  1182. relativity. The metric encodes a lot of information; the part we care about
  1183. (for this FAQ entry) is distances between objects.  In an FRW expanding
  1184. universe, the distance between any two "points on the balloon" does
  1185. increase over time. However, the FRW model is NOT meant to describe OUR
  1186. spacetime accurately on a small scale--- where "small" is interpreted
  1187. pretty liberally! 
  1188.  
  1189.     You can picture this in a couple of ways.  You may want to think of
  1190. the "continuum approximation" in fluid dynamics--- by averaging the motion
  1191. of individual molecules over a large enough scale, you obtain a continuous
  1192. flow.  (Droplets can condense even as a gas expands.)  Similarly, it is
  1193. generally believed that if we average the actual metric of the universe
  1194. over a large enough scale, we'll get an FRW spacetime. 
  1195.  
  1196.     Or you may want to alter your picture of the "expanding balloon". 
  1197. The galaxies are not just painted on, but form part of the substance of the
  1198. balloon (poetically speaking), and locally affect its "elasticity". 
  1199.  
  1200.     The FRW spacetimes ignore these small-scale variations.  Think of a
  1201. uniformly elastic balloon, with the galaxies modelled as mere points.
  1202. "Points on the balloon" correspond to a mathematical concept known as a
  1203. *comoving geodesic*.  Any two comoving geodesics drift apart over time, in
  1204. an expanding FRW spacetime. 
  1205.  
  1206.     At the scale of the Solar System, we get a pretty good
  1207. approximation to the spacetime metric by using another solution to
  1208. Einstein's equations, known as the Schwarzschild metric.  Using evocative
  1209. but dubious terminology, we can say this models the gravitational field of
  1210. the Sun.  (Dubious because what does "gravitational field" mean in GR, if
  1211. it's not just a synonym for "metric"?)  The geodesics in the Schwarzschild
  1212. metric do NOT display the "drifting apart" behavior typical of the FRW
  1213. comoving geodesics--- or in more familiar terms, the Earth is not drifting
  1214. away from the Sun. 
  1215.  
  1216.     The "true metric" of the universe is, of course, fantastically
  1217. complicated; you can't expect idealized simple solutions (like the FRW and
  1218. Schwarzschild metrics) to capture all the complexity.  Our knowledge of the
  1219. large-scale structure of the universe is fragmentary and imprecise. 
  1220.  
  1221.     In old-fashioned, Newtonian terms, one says that the Solar System
  1222. is "gravitationally bound" (ditto the galaxy, the local group).  So the
  1223. Solar System is not expanding.  The case for Brooklyn is even clearer: it
  1224. is bound by atomic forces, and its atoms do not typically follow geodesics.
  1225. So Brooklyn is not expanding.  Now go do your homework. 
  1226.  
  1227. References: (My thanks to Jarle Brinchmann, who helped with this list.)
  1228.  
  1229. Misner, Thorne, and Wheeler, "Gravitation", chapters 27 and 29.  Page 719
  1230. discusses this very question; Box 29.4 outlines the "cosmic distance
  1231. ladder" and the difficulty of measuring cosmic distances; Box 29.5 presents
  1232. Hubble's work.  MTW refer to Noerdlinger and Petrosian, Ap.J., vol. 168
  1233. (1971), pp. 1--9, for an exact mathematical treatment of gravitationally
  1234. bound systems in an expanding universe.
  1235.  
  1236. M.V.Berry, "Principles of Cosmology and Gravitation".  Chapter 2 discusses
  1237. the cosmic distance ladder; chapters 6 and 7 explain FRW spacetimes.
  1238.  
  1239. Steven Weinberg, "The First Three Minutes", chapter 2.  A non-technical
  1240. treatment.
  1241.  
  1242. Hubble's original paper: "A Relation Between Distance And Radial
  1243. Velocity Among Extra-Galactic Nebulae", Proc. Natl. Acad. Sci., Vol. 15,
  1244. No. 3, pp. 168-173, March 1929.
  1245.  
  1246. Sidney van den Bergh, "The cosmic distance scale", Astronomy & Astrophysics
  1247. Review 1989 (1) 111-139.
  1248.  
  1249. M. Rowan-Robinson, "The Cosmological Distance Ladder", Freeman.
  1250.  
  1251. A new method has been devised recently to estimate Hubble's constant, using
  1252. gravitational lensing.  The method is described in:
  1253.  
  1254. \O Gr\on and Sjur Refsdal, "Gravitational Lenses and the age of the
  1255. universe", Eur. J. Phys. 13, 1992 178-183.
  1256.  
  1257. S. Refsdal & J. Surdej, Rep. Prog. Phys. 56, 1994 (117-185)
  1258.  
  1259. and H is estimated with this method in:
  1260.  
  1261. H.Dahle, S.J. Maddox, P.B. Lilje, to appear in ApJ Letters.
  1262.  
  1263. Two books may be consulted for what is known (or believed) about the
  1264. large-scale structure of the universe: 
  1265.  
  1266. P.J.E.Peebles, "An Introduction to Physical Cosmology".
  1267. T. Padmanabhan, "Structure Formation in the Universe".
  1268.  
  1269. ======================================================================
  1270.  
  1271. (2) WHAT CAUSES THE HUBBLE REDSHIFT?  ARE THE LIGHT-WAVES "STRETCHED" AS 
  1272. THE UNIVERSE EXPANDS, OR IS THE LIGHT DOPPLER-SHIFTED BECAUSE DISTANT 
  1273. GALAXIES ARE MOVING AWAY FROM US?
  1274.  
  1275.     In a word: yes.  In two sentences: the Doppler-shift explanation is
  1276. a linear approximation to the "stretched-light" explanation.  Switching
  1277. from one viewpoint to the other amounts to a change of coordinate systems
  1278. in (curved) spacetime. 
  1279.  
  1280.     A detailed explanation requires looking at Friedmann-Robertson-Walker 
  1281. (FRW) models of spacetime.  The famous "expanding balloon speckled with
  1282. galaxies" provides a visual analogy for one of these; like any analogy, it
  1283. will mislead you if taken too literally, but handled with caution it can
  1284. furnish some insight. 
  1285.  
  1286.     Draw a latitude/longitude grid on the balloon.  These define
  1287. *co-moving* coordinates.  Imagine a couple of speckles ("galaxies")
  1288. imbedded in the rubber surface.  The co-moving coordinates of the speckles
  1289. don't change as the balloon expands, but the distance between the speckles
  1290. steadily increases.  In co-moving coordinates, we say that the speckles
  1291. don't move, but "space itself" stretches between them. 
  1292.  
  1293.     A bug starts crawling from one speckle to the other.  A second
  1294. after the first bug leaves, his brother follows him.  (Think of the bugs as
  1295. two light-pulses, or successive wave-crests in a beam of light.)  Clearly
  1296. the separation between the bugs will increase during their journey.  In
  1297. co-moving coordinates, light is "stretched" during its journey. 
  1298.  
  1299.     Now we switch to a different coordinate system, this one valid only
  1300. in a neighborhood (but one large enough to cover both speckles).  Imagine a
  1301. clear, flexible, non-stretching patch, attached to the balloon at one
  1302. speckle.  The patch clings to the surface of the balloon, which slides
  1303. beneath it as the balloon inflates.  (The bugs crawl along *under* the
  1304. patch.)  We draw a coordinate grid on the patch.  In the patch coordinates,
  1305. the second speckle recedes from the first speckle.  And so in patch
  1306. coordinates, we can regard the redshift as a Doppler shift. 
  1307.  
  1308.     Is this visually appealing?  I think so.  However, this explanation
  1309. glosses over one crucial point: the time coordinate.  FRW spacetimes come
  1310. fully-equipped with a specially distinguished time coordinate (called the
  1311. co-moving or cosmological time).  For example, a co-moving observer could
  1312. set her clock by the average density of surrounding speckles, or by the
  1313. temperature of the Cosmic Background Radiation.  (From a purely
  1314. mathematical standpoint, the co-moving time coordinate is singled out by a
  1315. certain symmetry property.) 
  1316.  
  1317.     We have many choices of time-coordinate to go with the
  1318. space-coordinates drawn on our patch.  Let's use cosmological time.  Notice
  1319. that this is *not* the choice usually made in Special Relativity: though
  1320. the two speckles separate rapidly, their cosmological clocks remain
  1321. synchronized. Bugs embarking on their journey from the "moving" speckle
  1322. appear to crawl "upstream" against flowing space as they head towards the
  1323. "home" speckle. The current diminishes as they approach home.  (In other
  1324. words, bug-speed is anisotropic in these coordinates.)  These differences
  1325. from the usual SR picture are symptoms of a deeper fact: besides the
  1326. obvious "spatial" curvature of the balloon's surface, FRW spacetimes have
  1327. "temporal" curvature as well.  Indeed, not all FRW spacetimes exhibit
  1328. spatial curvature, but (with one exception) all have temporal curvature. 
  1329.  
  1330.     You can work out the magnitude of the redshift using patch
  1331. coordinates.  I leave this as an exercise, with a couple of hints. (1)
  1332. Since bug-speed is anisotropic far from the home speckle, consider also a
  1333. patch attached to the "moving" speckle.  Compute the initial distance
  1334. between the bugs (the "wavelength") in both patch coordinate systems, using
  1335. the standard *non-relativistic* Doppler formula for a stationary source,
  1336. moving receiver.  (2) Now think about how the bug-distance changes as the
  1337. bugs journey to the home speckle (this time sticking with home patch
  1338. coordinates).  The bug-distance does *not* propagate unchanged.  Consider
  1339. instead the analog of the period of a lightwave: the time between
  1340. bug-crossings of a grid line on the patch.  This *does* propagate almost
  1341. unchanged, *provided* the rate of balloon expansion stays pretty much the
  1342. same throughout the bugs' perilous trek.  The final result: the magnitude
  1343. of the redshift, computed using Doppler's formula, agrees to first-order
  1344. with magnitude computed using the "stretched-light" explanation.  (To the
  1345. cognoscenti: the assumptions are that Hx<<1 and (dH/dt)x<<1, where
  1346. H(t)=dR(t)/dt, R(t) is the scale factor, t is cosmological time, and x is
  1347. the average distance between the "speckles" (co-moving geodesics) during
  1348. the course of the journey.) 
  1349.  
  1350.     (This long-winded "proof of equivalence" between the Doppler and
  1351. "stretched-light" explanations substitutes a paragraph of imagery for a
  1352. half-page of calculus.)
  1353.  
  1354.     Let me close by emphasizing the word "approximation" from the first
  1355. paragraph of this entry.  The Doppler explanation fails for very large
  1356. redshifts, for then we must consider how Hubble's "constant" changes over
  1357. the course of the journey. 
  1358.  
  1359. References:
  1360.  
  1361. Misner, Thorne, and Wheeler, "Gravitation", chapter 29.
  1362.  
  1363. M.V.Berry, "Principles of Cosmology and Gravitation", chapter 6.
  1364.  
  1365. Steven Weinberg, "The First Three Minutes", chapter 2, especially pp. 13
  1366. and 30.
  1367.  
  1368. ********************************************************************************
  1369. END OF PART 2/4
  1370.  
  1371.